基于Matlab的高阶系统设计与仿真

1、课 程 设 计 说 明 书题 目：基于Matlab的高阶系统设计与仿真 班 级： 电气五班 姓 名： 党伟 学 号： 201295014176 指导教师：张小娟 日 期： 2015年1月9日星期五 课程设计任务书设计题目基于Matlab的高阶系统设计与仿真设计要求一、 高阶系统的设计要求： 1、建立高阶系统的数学模型。2、选择PID控制方法对高阶系统进行控制。3、计算PID参数的整定结果。4、利用Simulink或M程序进行仿真。二、 设计步骤与要求 1、阐述系统的工作原理。2、拟定高阶系统电路组成框图。3、进行PID参数的整定。4、画出高阶系统结构图。5、写出设计性实验报告。工作计划1、 2

2、015.1.4-1.5 搜集资料；2、 2015.1.6-1.10 电路设计；3、 2015.1.10-1.12 完成设计报告并提交指导教师： 张小娟 教研室主任：目录一：摘要二：PID控制的基本原理2.1 PID 控制的基本原理2.2 PID 控制具有以下优点2.3 控制方式三：simulink介绍3.1 SIMULINK的模块库介绍3.2 SIMULINK简单模型的建立3.3 Simulink模块库简介四：设计步骤4.1 系统主要技术指标4.2 PID参数设定说明4.3仪表应用与部骤框图五：PID参数整定5.1 PID经典控制分析5.2 控制系统参数整定的基本要求一：摘要随着电子技术的不断

3、发展，水温控制系统设计的方法越来越多也越来越完善， 温度控制是无论是在工业生产过程中,还是在日常生活中都起着非常重要的 作用,特别是在城市集中供暖，学校等人口密集地方的供暖和热水供应方面都有 广泛应用。然而，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用,从而 造成水资源的巨大浪费.特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下,我们更应该 掌握好对水温的控制,把身边的水资源好好地利用起来。 在现代冶金,石油,化工及电力生产过程中,温度是极为重要而又普遍的热工参数之一.在环境恶劣或温度较高等场合下,为了保证生产过程正常安全地进行,提高产品的质量和数量,以及减轻工人的劳动强度,节约能源,要求对加锅炉水

4、温 进行测,显示,控制,使之达到工艺标准,以单片机为核心设计的炉温控制系统,可以 同时采集多个数据,并将数据通过通讯口送至上位机进行显示和控制.那么无论是 哪种控制,我们都希望水温控制系统能够有很高的精确度(起码是在满足我们要求 的范围内),帮助我们实现我们想要的控制,解决身边的问题. 随着电子而当行业的迅猛发展,计算机技术和传感器技术的不断改进,而且计算机和传感器的价格 也日益降低,可靠性逐步提高,用信息技术来实现水温控制并提高控制的精确度不 仅是可以达到的而且是容易实现的.用高新技术来解决工业生产问题, 排除生活 用水问题实施对水温的控制已成为我们电子行业的任务,以此来加强工业化建设,提高

5、人民的生活水平。 温度控制是无论是在工业生产过程中,还是在日常生活中都起着非常重要的 作用,特别是在城市集中供暖，学校等人口密集地方的供暖和热水供应方面都有 广泛应用。无论在热水温度的要求方面还是出于安全考虑，锅炉中必须要有水温 控制，而水温控制在工业及日常生活中应用广泛,分类较多,不同水温控制系统的 控制方法也不尽相同,其中以PID控制法最为常见.然而,单纯的PID算法无法适应 不同的温度环境,在某个特定场合运行性能非常良好的温度控制器,到了新环境往 往无法很好胜任,甚至使系统变得不稳定,需要重新改变PID调节参数值以取得最佳的性能。二：PID控制的基本原理2.1 PID 控制的基本原理：P

6、ID 控制概述 当今的自动控制技术绝大部分是基于反馈概念的。反馈理论包括三个基本 素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠 正和控制系统的响应。在工业过程控制中95%以上的 控制回路都具有PID 结构，而且许多高级控制都是以PID 控制为基础的。 PID 控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。Gs=KP+K1S+KDS2.2 PID 控制的优点与不足： （1） 原理简单，使用方便，PID 参数KP、KI和KD可以根据过程动态 特性变化，PID 参数就可以重新进行调整与设定。 （2） 适应性强，按 PID 控制规律进行工作的控制器早已商品化，即

7、使目 前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID 控制。PID 应用范围 广，虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过适当简化，也可以将其变成基 本线性和动态特性不随时间变化的系统，就可以进行PID 控制了。 （3） 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。 但不可否认PID 也有其固有的缺点。PID 在控制非线性、时变、偶合及参数和结 构不缺点的复杂过程时，效果不是太好；最主要的是：如果PID 控制器不能控制 复杂过程，无论怎么调参数作用都不大。 在科学技术尤其是计算机技术迅速发展的今天，虽然涌现出了许多新的控 制方法，但PID 仍因其自身的优点而得到了最广泛的应用，

8、PID 控制规律仍是最 普遍的控制规律。PID 控制器是最简单且许多时候最好的控制器。 在过程控制中，PID 控制也是应用最广泛的，一个大型现代化控制系统的控 制回路可能达二三百个甚至更多，其中绝大部分都采用PID 控制。2.3 控制方式比例（P）控制： 例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳定误差。比例控制器的传递函数为：GC(S) = KPKP 称为比例系数或增益（视情况可设置为正或负），一些传统的控制器又常用,，来取代比例系数比例带KP比例带是比例系数的倒数，比例带也称为比例度。单位反馈系统，0 型系统响应实际阶跃信号R0 1

9、(t)的稳态误差与其开环增益K近视成反比，即 limtet=R01+K 对于单位反馈系统，I 型系统响应匀速信号R1 (t)的稳态误差与其开环增益 K v 近视成反比, 即:limtet=R1/KVP 控制只改变系统的增益而不影响相位,它对系统的影响主要反映在系统的稳态误差和稳定性上,增大比例系数可提高系统的开环增益,减小系统的稳态误差,从而提高系统的控制精度,但这会降低系统的相对稳定性,甚至可能造成闭环系统的不稳定,因此,在系统校正和设计中 P 控制一般不单独使用.具有比例控制器的系统结构如图 1.1 所示系统的特征方程为：DS=1+KPG0H(S)=0KPG0(S)H(S)图 1.1 具有

10、比例控制器的系统的特征方程式为:比例微分(PD)控制环节:具有比例加微分控制规律的控制称 PD 控制,PD的传递函数为:GCS=Kp+Kps 其中，Kp为比例系数，为微分常数；Kp与都是可调参数；具有PD控制器的系统结构如图所示。PD 控制器的输出信号为：U（t）=Kpe（t）+Kpde（t）dt在微分控制中，控制器的输入与输出误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。微分控制反映误差的变化率，只有当误差随时间变化时，微分控制才会对系统起作用，而对无变化或缓慢变化的对象不起作用。因此微分控制在任何情况下不能单独与被控制对象串联使用，而只能构成 PD 或PID 控制。自动控制系统在克服误差的调

11、节过程中可能会出现振荡甚至不稳定，其原因是由于存在有较大惯性的组件（环节）或有滞后的组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的方法是使抑制误差变化的作用“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制中引入“比例”项是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有“比例+微分”的控制器，就能提前使抑制误差的作用等于零甚至为负值，从而避免被控量的严重超调。因此对有较大惯性或滞后的被控对象，比例微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态性。另外，微分控制对纯时控制环节不能改善控制品质而具有放大高频

12、噪声信号的缺点。在实际应用中，当设定值有突变时，为了防止由于微分控制的突跳，常将微分控制环节设置在反馈回路中，这种做法称为微分先行，即微分运算只对测量信号进行，而不对设定信号进行。积分(I)控制：具有积分控制规律的控制称为积分控制,即I控制,I 控制的传递函数为:Gc（s）=Ki/s其中，Ki称为积分系统控制器的输出信号为：积分控制器输出信号u(t) 的变化速率与输入信号e(t)成正比, 对于一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个系统是有稳态误差的或简称有差系统. 为了消除稳态误差,在控制器必须引入”积分项”.积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大使稳态误

13、差进一步减小,直到等于零. 通常,采用积分控制器的主要目的就是使用系统无稳态误差,由于积分引入了相位滞后,使系统稳定性变差，加积分器控制对系统而言是加入了极点,对系统的响应而言是可消除稳态误差,但这对瞬时响应会造成不良影响,甚至造成不稳定,因此,积分不单独使用,通常结合比例控制器构成比例积分(PI)控制器比例积分(I)控制：具有比例加积分控制规律的控制称为比例积分控制器,即PI 控制,PI 控制的传递函数为：其中，Kp为比例系数；Ti成为积分时间常数,两者都是可调的参数. 控制器的输出信号为: 积分时间常数,两者都是可调的参数. 控制器的输出信号为:PI 控制器可以使系统在进入稳态后无稳态误差

14、. PI 控制器在与被控对象串联时,相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点,同时也增加了一个位于s 左半平面的开环零点.位于原点的极点可以提高系统的型别,以消除或减小系统的稳态误差,改善系统的稳态性能;而增加的负实部零点则可减小系统的阻尼程度,缓和PI 控制器极点对系统稳定性及动态过程产生的不利影响在实际工程中,PI 控制器通常用来改善系统的稳定性能.比例积分微分(PID)控制：具有比例+积分+微分控制规律的控制称为比例积分微分控制即PID 控制,PID 控制的传递函数为:PID 控制器的输出信号为:PID 控制器的传递函数可写成:PI 控制器与被控对象串联连接时,可以使系统的型别提高一级

15、,而且还提供了两个负实部的零点与PI 控制器相比,PID 控制器除了同样具有提高系统稳定性能的优点外,还多提供了一个负实部零点,因此在提高系统动态系统方面提供了很大的优越性.在实际过程中,PID 控制器被广泛应用. PID 控制通过积分作用消除误差,而微分控制可缩小超调量,加快反应,是综合了PI 控制与PD 控制长处并去除其短处的控制.从频域角度看,PID 控制通过积分作用于系统的低频段,以提高系统的稳定性,而微分作用于系统的中频段以改善系统的动态性能.三simulink介绍 SIMULINK是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，

16、其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。SIMULINK的最新版本是SIMULINK4.0（包含在MATLAB6.0里），MATLAB5.3里的版本为3.0版，它们的变化不大。SIMULINK的启动在MATLAB，令窗口中输入simulink结

17、果是在桌面上出现一个称为Simulink Library Browser的窗口，在这个窗口中列库窗口。两种模块库窗口界面只是不同的显示形式，用户可以根据各人喜好进行选用，一般说来第二种窗口直观、形象，易于初学者，但使用时会打开太多的子窗口。3.1 SIMULINK的模块库介绍SIMILINK模块库按功能进行分为以下8类子库：Continuous（连续模块）Discrete（离散模块）Function&Tables（函数和平台模块）Math（数学模块）Nonlinear(非线性模块）Signals&Systems（信号和系统模块）Sinks（接收器模块）Sources（输入源模块

18、）连续模块（Continuous）continuous.mdl Integrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型Memory：存储上一时刻的状态值Transport Delay:输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出离散模块（Discrete） discrete.mdl Discrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：IIR与

19、FIR滤波器Discrete State-Space：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order Hold：一阶采样和保持器Zero-Order Hold：零阶采样和保持器Unit Delay：一个采样周期的延时3.2 SIMULINK简单模型的建立:简单模型的建立（1）建立模型窗口（2）将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口 （3）对模块进行连接，从而构成需要的系统模型,模型的特点在SIMULINK里提供了许多如Scope的接收器模块，这使得用SIMULNK进行仿真具

20、有像做实验一般的图形化显示效果SIMULINK的模型具有层次性，通过底层子系统可以构建上层母系统。SIMULINK提供了对子系统进行封装的功能，用户可以自定义子系统的图标和设置参数对话框。3.3 Simulink模块库简介：在进行系统动态仿真之前，应绘制仿真系统框图，并确定仿真所需用的参数。Simulink模块库包含大部分常用的建立系统框图的模块。下面简要介绍常用模块。Simulink功能：Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具， 是一种基于MATLAB的框图设计环境，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个软件包，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真

21、中。Simulink可以用连续采样时间、离散采样时间或两种混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统，也就是系统中的不同部分具有不同的采样速率。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的图形用户接口(GUI) ，这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成，它提供了一种更快捷、直接明了的方式，而且用户可以立即看到系统的仿真结果。Simulink是用于动态系统和嵌入式系统的多领域仿真和基于模型的设计工具。对各种时变系统，包括通讯、控制、信号处理、视频处理和图像处理系统，Simulink提供了交互式图形化环境和可定制模块库来对其进行设计、仿真、执行和测试。.构架在Simulin

22、k基础之上的其他产品扩展了Simulink多领域建模功能，也提供了用于设计、执行、验证和确认任务的相应工具。Simulink与MATLAB紧密集成，可以直接访问MATLAB大量的工具来进行算法研发、仿真的分析和可视化、批处理脚本的创建、建模环境的定制以及信号参数和测试数据的定义。Simulink特点：丰富的可扩充的预定义模块库交互式的图形编辑器来组合和管理直观的模块图以设计功能的层次性来分割模型，实现对复杂设计的管理通过Model Explorer 导航、创建、配置、搜索模型中的任意信号、参数、属性，生成模型代码 提供API用于与其他仿真程序的连接或与手写代码集成使用Embedded MATL

23、AB 模块在Simulink和嵌入式系统执行中调用MATLAB算法 使用定步长或变步长运行仿真，根据仿真模式(Normal,Accelerator,Rapid Accelerator)来决定以解释性的方式运行或以编译C代码的形式来运行模型图形化的调试器和剖析器来检查仿真结果，诊断设计的性能和异常行为可访问MATLAB从而对结果进行分析与可视化，定制建模环境，定义信号参数和测试数据模型分析和诊断工具来保证模型的一致性，确定模型中的错误。四设计步骤4.1系统主要技术指标: 工作电源：AC220V/5060Hz，功率<3W 温度测量精度：0.5%FS l温度测量范围：跟传感器相关采样速率：2次

24、/秒超限显示：上限“HHHH”，下限“LLLL”继电器：AC220V/10A 固态继电器输出电平：开路电压12V，短路电流20mA 工作环境温度：050工作环境湿度：85% RH型号说明及外形尺寸产品系列号解析：TCX 7 0 0 0(1)(2)(3)(4)(5)(1)产品系列：TCX.智能PID温控仪系列(2)外形尺寸：4.外形尺寸48mm×48mm×115mm(方),开孔尺寸45+1mm×45+1mm5.外形尺寸48mm×96mm×75mm(竖),开孔尺寸44+1mm×92+1mm6.外形尺寸96mm×48mm×

25、;75mm(横),开孔尺寸92+1mm×44+1mm7.外形尺寸72mm×72mm×75mm(方),开孔尺寸68+1mm×68+1mm 8.外形尺寸96mm×96mm×75mm(方), 开孔尺寸91+1mm×91+1mm 9.外形尺寸80mm×160mm×80mm(竖), 开孔尺寸76+1mm×152+1mm A.外形尺寸160mm×80mm×80mm(横), 开孔尺寸152+1mm×76+1mm (3)报警类型：0.无报警输出，无报警蜂鸣器1.无报警输出，内置蜂鸣

26、器2.一路报警，无报警蜂鸣器3. 一路报警，内置蜂鸣器4.两路报警，无报警蜂鸣器5.两路报警，内置蜂鸣器注：外形尺寸为48mm×48mm×115mm，即TCX4xxx系列的产品最多只有一路报警输出，即报警类型位只有0，1，2和3四种类型。(4)主控输出类型： 0.继电器输出1.固态继电器触发电平输出2.移相脉冲输出，可接双向可控硅3.过零脉冲输出，可接双向可控硅(5)输入类型：0.热电偶K,E,J,T,N,热电阻Pt100,Cu50 1.热电偶B,R,S,热电阻Pt100,Cu50 2.热电偶K 3.热电偶E4.热电偶J5.热电偶T 6.热电偶N 7.热电偶B 8.热电偶R

27、 9.热电偶S A.热电阻Pt100 B.热电阻Cu50C.热敏电阻D.测温IC(可定制)E.标准电压F.标准电流 4.2参数设定说明(一)温度设定（进入方式：按“设定/确认”键0.5秒）1.温度设定参数介绍注：1STL和STH的值在高级参数设定中设置2.温度设定方法在工作模式下按”设定/确认”键0.5秒，设定值个位闪烁，按”增加键”或”减小键”调整温度设定值；也可以按”移位/自整定”键移动调整位,直接调整十位或百位。若设定值不能调整可能是由于参数被锁定，把Lock参数设置为0，1或2可解除锁定。(二)基本参数设定（进入方式：长按“设定/确认”键后输入密码“0010”）1.基本参数介绍注：2T

28、CXxxx0系列温控仪的输入类型出厂值设为K，TCXxxx1系列温控仪的输入类型出厂值设为B。3控制输出方式：0-位式控制，1-PID控制。4显示值=测量值+PSb。 5自整定时设定的下调值,用于防止自整定时出现的超调。6数字滤波系数，可设为08，0表示无数字滤波，1滤波效果最弱，8滤波效果最强，数字滤波系数越大，测量显示越稳定,滞后越大。7热电偶冷端温度补偿方式：0-无冷端补偿，1-温控仪内部补偿，2-外部Cu50补偿。8设定锁：0-不锁定，1-除自整定和温度设定以外参数锁定，2-除温度设定以外参数锁定，3-所有参数锁定。2.基本参数设定方法设定要点：1)长按“设定/确认键”进入设定状态；2

29、)使用“移位/自整定键”，“减小键”和“增加键”输入密码和参数；3)按“设定/确认键”切换到下一参数；4)长按“设定/确认键”退出设定状态。PID相关参数设定（进入方式：长按“设定/确认”键后输入密码“0011”）1,PID相关参数介绍注：9比例带：若P设定为20，则在SV±10的范围内进行PID控制。当温度有规律波动（系统振荡）时，应增加比例带，当温度无规律波动时，应减小比例带。对过超调大的系统应适当加大P的设定，反之应减小。10积分时间：当温度有规律波动（系统振荡）时，应增加积分时间。当温度长时间不能消除净差时，应减小积分时间。一般I设为60240之间对很多系统是适用的。11微分

30、时间：微分时间的增加有助于减小系统的超温。但该值过大将导致对干扰的过分敏感。D值一般设为I的1/3至1/5之间。12超调抑制系数：增加该参数，超调减小，该参数过大可能出现欠调；减小该参数，超调增加。13控制周期：当系统升降温速率比较快时，应减小T，一般T越小，控制效果越好。若主控为继电器输出，过小的T将影响继电器的使用寿命。继电器输出时，T的出厂值设置为20秒，固态继电器输出时，T的出厂值设置为2秒。2.PID相关参数设定方法设定要点：1)长按“设定/确认键”进入设定状态；2)使用“移位/自整定键”，“减小键”和“增加键”输入密码和参数；3)按“设定/确认键”切换到下一参数；4)长按“设定/确

31、认键”退出设定状态。(四)高级参数设定（进入方式：长按“设定/确认”键后输入密码“0012”）1.高级参数介绍：注：14位式控制的回差，该回差还影响到PID自整定的结果，自整定时该值不能太小，太大则会影响自整定精度。15报警方式：0-绝对值报警，1-偏差报警。16蜂鸣器开关：0-蜂鸣器关闭，1-蜂鸣器打开。17温度上下限的出厂值跟温控仪的类型有关。2.高级参数设定方法设定要点：1)长按“设定/确认键”进入设定状态；2)使用“移位/自整定键”，“减小键”和“增加键”输入密码和参数；3)按“设定/确认键”切换到下一参数；4)长按“设定/确认键”退出设定状态。仪表自整定自整定是通过温控仪内置的人工智

32、能算法自动计算和设定P，I和D的控制参数，以自动适应不同的控制对象。注意：自整定时可能会产生较大的振荡，对于不能承受较大振荡的系统请增加Atdu的设定值。自整定曲线：2.自整定的启动和终止1)启动自整定：长按“移位/自整定键”，直到“AT”灯开始闪烁，这时仪表进入自整定状态，当“AT”灯熄灭，自整定过程完成，仪表按自整定计算出的PID参数开始运行。（控制输出方式“outy”设为1时）2)终止自整定：自整定过程中长按“移位/自整定键”，直到“AT”灯熄灭，自整定过程终止，原PID参数不变。仪表接线图：4.3仪表应用用户需要控制烤箱的温度，要求测温范围为0350，烤箱温度控制在260，当烤箱温度高于280时上限报警，温度低于240时下限报警，系统供电电源为AC220V。仪表开孔尺寸为72mmX72mm。1.仪表选型：仪表选用TCX7500智能PID温控仪，传感器选用K型热电偶；2.仪表接线：（仪表接线如下图所示）3.参数设定：温度传感器类型Inty = K；控制输出方式outy = 1；自整定偏移值Atdu = 10；传感器零点误差修正